模电课程设计-半导体直流稳压电源的设计和测试.doc

湖南工学院模拟电子技术课程设计说明书 课题名称: 半导体直流稳压电源的设计和测试 专业名称： 电气自动化 班 级： 学生姓名： 学 号: 指导老师: 模拟电子技术课程设计任务书一、课程设计的任务和目的学生通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在模拟电子技术中所学的理论知识和实验技能，掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。二、课程设计的基本要求1、掌握电子电路分析和设计的基本方法。包括：根据设计任务和指标初选电路；调查研究和设计计算确定电路方案；选择元件、安装电路、调试改进；分析实验结果、写出设计总结报告。2、培养一定的自学能力、独立分析问题的能力和解决问题的能力。包括：学会自己分析解决问题的方；对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查询工具书和参考文献来寻找解决方案，掌握电路测试的一般规律；能通过观察、判断、实验、再判断的基本方法解决实验中出现的一般故障；能对实验结果独立地进行分析，进而做出恰当的评价。3、掌握普通电子电路的生产流程及安装、布线、焊接等基本技能。4、巩固常用电子仪器的正确使用方法，掌握常用电子器件的测试技能。5、以下四个课题任选一个，四人一组，要求完成实物制作和设计报告，设计报告格式符合要求，本学期第十七周交作品和报告，并进行答辩。1半导体直流稳压电源的设计和测试（一）设计目的1、学习直流稳压电源的设计方法；2、研究直流稳压电源的设计方案；3、掌握直流稳压电源的稳压系数和内阻测试方法；（二）设计要求和技术指标1、技术指标：要求电源输出电压为12V（或9V /5V），输入电压为交流220V，最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数Sr5%。2、 设计要求（1） 设计一个能输出12V/9V/5V的直流稳压电源；（2） 拟定测试方案和设计步骤； （3） 根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；（4） 要求绘出原理图，并用Protel、Visio画出印制板图； （5） 测量直流稳压电源的内阻；（6） 测量直流稳压电源的稳压系数、纹波电压；（7） 撰写设计报告。（三）设计提示1、设计电路框图如图所示负载稳压电路滤波电路整流电路变压器图（1） 直流稳压电源电路结构框图稳压电路若使用分离元件要有取样、放大、比较和调整四个环节，晶体管选用3DD或3DG等型号；若用集成电路选78XX和79XX稳压器。测量稳压系数：在负载电流为最大时，分别测得输入交流比220V增大和减小10% 的输出vo，并将其中最大一个代入公式计算Sr，当负载不变时，Sr=VoVI/VIVO。测量内阻：在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的Vo，ro=VO/IL。纹波电压测量：叠加在输出电压上的交流分量，一般为mV级。可将其放大后，用示波器观测其峰峰值VOP-P；用可用交流毫伏表测量其有效值VO，由于纹波电压不是正弦波，所以用有效值衡量存在一定误差。2、实验仪器设备自耦变压器一台、数字万用表、交流毫伏表、面包板或万能板、智能电工实验台、示波器3、设计用主要器件 变压器、整流二极管、集成稳压器（7812/7912/7809/7909/7805/7905）、电容、电阻若干3、参考书电工学电子工业出版社；晶体管直流稳压电源辽宁科技出版社； 电子线路设计实验测试华中科技大学出版社 模拟电子技术基础高等教育出版社（四）设计报告要求1、选定设计方案；2、拟出设计步骤，画出电路，分析并计算主要元件参数值；3、列出测试数据表格。4、调试总结。（五）设计总结1、总结直流稳压电源的设计方法和运用到的主要知识点，对设计方案进行比较。2、总结直流稳压电源主要参数的测试方法。目录第一章 绪论 绪 论 1第二章 半导体直流稳压电路的设计 2.1设计方案及理论 2 2.2原理分析 5 2.3 实验电子原件参数 9 第三章 半导体直流稳压电路的仿真与制作 3.1制作过程及内容 11 3.2电路的调试与检测 13 3.3注意事项 16 3.4设计总结 16 3.5心得体会 17第四章 结束语19 附录20第一章 绪 论直流稳压电源应用广泛，几乎所有电器、电力或电子设备都毫不例外地需要稳定的直流电压（电流）供电，它是电子电路工作的“能源”和“动力”。不同的电路对电源的要求是不同的。在很多电子设备和电路中需要一种当电网电压波动或负载发生变化时，输出电压仍能基本保持不变的电源。电子设备中的电源一般由交流电网提供，如何将交流电压（电流）变为直流电压（电流）供电？又如何使直流电压（电流）稳定？这是电子技术的一个基本问题。解决这个问题的方案很多，归纳起来大致可分为线性电子稳压电源和开关稳压电源两类，它们又各自可以用集成电路或分立元件构成。 半导体二极管和晶体管是电子电路中常用的半导体器件，也是构成集成电路的基本单元。本工程训练主要利用这两种元器件设计制作一个分立式元器件串联反馈型稳压电源。直流稳压电源由交流电网经变压、整流、滤波、和稳压四个主要部分构成。本次设计的主要内容是围绕着如何使分立式元器件串联可调直流稳压电源输出直流电压稳定、脉动成分减小而展开的。首先介绍了全波整流电路的工作原理，接着介绍了电容滤波电路的性能特点，然后引入了具有放大环节和辅助电源的串联可调式稳压电源，并在电路中采用了提高稳定度，提高温度稳定性及限流型过流保护电路的具体措施，以确保电路安全稳定的工作。本人的主要工作：（1） 打印电路板；（2） 打孔；（3） 焊接元器件；（4） 测试功能。 2014年12月第2章 半导体直流稳压电路的设计2.1设计方案及理论 半导体直流稳压电源主要由滤波电路、稳压电路决定，采用不同的滤波电路、稳压电路可以设计出不同的设计方案。 方案一：简单的并联型稳压电源 并联型稳压电源的调整元件与负载并联，因而具有极低的输出电阻，动态特性好，电路简单，并具有自动保护功能；负载短路时调整管截止，可靠性高，但效率低，尤其是在小电流时调整管需承受很大的电流，损耗过大，因此在本实验中此方案不适合。 方案二：输出可调的开关电源； 开关电源的功能元件工作在开关状态，因而效率高，输出功率大；且容易实现短路保护与过流保护，但是电路比较复杂，设计繁琐，在低输出电压时开关频率低，纹波大，稳定度极差，因此在本实验中此方案不适合。 方案三：由固定式三端稳压器（7812、7912）组成 由固定式三端稳压器（7812、7912,7805,7905）输出脚V0、输入脚Vi和接地脚GND组成，它的稳压值为+12V和-12V，+5V,-5V.它属于CW78*和CW79*系列的稳压器，输入端接电容可以进一步滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响，此电路比较稳定。 根据实验设计要求，本实验采用方案三。任务书要求输入220伏的交流电，输出为正负12V、9V、5V的稳压直流电，则首先应该进行降压处理，然后要对降压后的交流电进行整流，再其次是对含有交流成分的脉动直流电进行滤波处理，最后对直流点进行最后的稳压处理。（一）降压的过程，直接选用实物降压器进行降压，并且要根据电路中所需的合适电压适当选择降压器，具体情况根据实际需求而定。在此次我们选用的是12V变压器。（二）然后是整流过程，自然而然选择了优点突出的桥式整流电路，它由1个整流桥构成，连接方法此不做说明，在以后的原理图中将做详细的说明。（三）对于滤波过程，我们用电容滤波电路来实现，它的方法是在桥式整流电路输出端并联一个较大的电容C来构成一个电容滤波电路。（四）最后的稳压器选择，我们选择了集成电路，又根据任务书中的提示，选择了三端可调输出集成稳压器，它主要由LM7805，LM7812,LM7905,LM7912芯片和4个电解电容以及4个二极管和若干电阻和电容构成，具体不再介绍，后面的原理图将会给出三端可调输出集成电路的构成图。(五) 直流稳压电源也可由硅稳压二极管稳压电路来实现，下面仅做简单的论述，本次课程设计主要论述三端可调输出集成稳压器。硅稳压管的伏安特性及符号如图1所示。滤波电路：将脉动的直流电变成平滑的直流电。稳压电路：抑制电网电压和整流电路负载的变化引起的输出电压变化，将平滑的直流电变成稳定的直流电。1硅稳压二极管的特性(1) 稳压管工作在反向击穿状态。(2) 当工作电流满足条件时，稳压管两端电压几乎不变。2稳压二极管的主要参数(1) 稳定电压稳压管在规定电流下的反向击穿电压。(2) 稳定电流IZ稳压管在稳定电压下的工作电流。(3) 最大稳定电流IZmax稳压管允许长期通过的最大反向电流。(4) 动态电阻rZ稳压管两端电压变化量与电流变化量的比值，即rZ = DVZ/DIZ。此值越小，管子稳压性能越好。 图1硅稳压管的伏安特性及符号3稳压管稳压电路的工作原理(1) 电路图稳压管稳压电路如图2所示。V为稳压管，起电流调整作用；R为限流电阻，起电压调整作用。(2) 电路的稳压过程：VOIZIRVRVO(3) 应用：小功率场合。 图2 硅稳压管的伏安特性及符号 电路优点是结构简单，调试方便；缺点是输出电流较小、输出电压固定，稳压性能较差。因此，只适用于小型电子设备。4）电路图见下图，如图3所示： 图3硅稳压电路图（1）稳压管稳压电路如上图所示。Dz为稳压管，起电流调整作用；R为限流电阻，起电压调整作用。(2) 电路的稳压过程：VOIZIRVRVO 5）测量硅稳压管两端电压 得6.33v 用开短路法测得测量硅稳压管两端电流、电阻分别为： 59.8mA 1062.2原 理 分 析1直流稳压电源的基本原理流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图2直图4 直流稳压电源基本框架图2.各部分的作用：（1）电源变压器T的作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。变压器副边与原边的功率比为P2/ P1=，式中是变压器的效率。（2）整流滤波电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。常用的整流滤波电路有全波整流滤波、桥式整流滤波等。 图5 全波整流滤波 各滤波电容C满足RL-C（35）T/2，或中T为输入交流信号周期，RL为整流滤波电路的等效负载电阻。 图6 桥式整流滤波 （3）三端集成稳压器：根据设计所要求的性能指标，选择7812和7912组成的多路集成三端稳压器。核心器件选用稳压器7812和7912组合， LM7812输出12V的电压，而LM7912输出的是12V的电压，从而达到对称 图7 等效电路图 图8 LM7912部分电路3稳压电流的性能指标及测试方法 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。测试电路如图7。图9稳压电源性能指标测试电路（1） 纹波电压：叠加在输出电压上的交流电压分量。用示波器观测其峰峰值一般为毫伏量级。也可用交流毫伏表测量其有效值，但因纹波不是正弦波，所以有一定的误差。（2）稳压系数：在负载电流、环境温度不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化。（3） 电压调整率：输入电压相对变化为10%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。（4） 输出电阻及电流调整率：输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值.电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。输出电阻和电流调整率均说明负载电流变化对输出电压的影响，因此也只需测试其中之一即可。2.3实验电子元件参数2.3.1.三端稳压器 选择7812及7912，其输出电压和输出电流均满足指标要。.选择的CW7812固定式三端稳压器的特性参数为：输入电压Ui=19V，输出电压范围为UO=11.412.6V，最小输入电压Uimin=12V，电压调整率为+3mV，最大输出电流为1A。选择的CW7912固定式三端稳压器的特性参数为：输入电压Ui=19V,输出电压范围UO=11.412.6V，最小输入电压为12V，电压调整率为3mV，最大输出电流为1A2.3.2.电源变压器 由公式P=U*I可知若输出功率P一定，若输出电压U越高，则输出电流I越低。举例来说一个输出功率P=10VA的变压器，若输出电压U=24V，则输出电流I=P/U=10VA/24V 0.416A若U=12V 则输出电流I=0.833A。电源变压器将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压一般次级电压u2较小。而设计要求输出电压U=12V，所以可选；输入220V,50HZ。输出双12V的电源变压器。2.3.3.整流器 整流二极管的参数应满足最大整流电流If1.5Imax=0.75A，最大反向电压VR=43V.整流滤波特别应指出的是，电容滤波使电路被接通的一瞬间，整流管的实际电流远大于Imax，如果If较小，很可能在电路被接通时就已经损坏，因此，一般取If5Imax=2.5A，所以最终选择Imax=2A，Vmax=1000V，2W10的整流桥。2.3.4滤波电容由式RLC=(3-5)T/2，则 C1=5T/2RL RL为C1右边的等效电阻，应取最小值，由于电容C1：由式RLC=(3-5)T/2，则 C1=5T/2R2， 式中T为市电流电源的周期，T=20ms；Imax=500mA，因此RLmin=V1/Imax=33，所以C1=1515uf。可见，C1容量较大，应选电解电容，受规格的限制，实际容量应选2200uf，其耐压值可取25V C1的最后取值还需根据纹波电压的要求调整并确定注意:因为大容量电解电容有一定的绕制电感分布电感，易引起自激振荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。第三章 半导体直流稳压电路的仿真与制作3.1制作过程及内容 (1)画图；在学会Protel软件之后对设计的原理图进行绘图过程，在元件库中找到所需元件在绘图界面接线。在电路图绘制完成后则更新到PCB版中，然后布局连线，连完线再检查一遍，确认无误。就可以刻板了。 图10 Protel电路图 （2）进行电路仿真图11仿真电路图 (3) 制板;依次安装四个二极管, 4个稳压器，4个电阻，10个电容,12个针管，及变压器，开关，整流桥。均采用水平插装(注意极性不可接反)。 图12 PCB版电路图 图13 直流稳压电源实物图 图14 直流稳压电源实物线路图3.2电路的调试与检测3.2.1 静态调试 当连好电路板的线路时，先不要急着通电，而因该从以下几个方面进行检测： A、对照原理图，用万用表一一检查线路的各个接口是否接通，是否有短路、断路或漏接的现象，如果有，因该及时改好电路连线。 B、对照原理图，检查各元件是否接正确。用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到结果如表(1) 接通220V的电源3.2.2 动态调试a、稳压电源的性能指标的测试 1）、测量直流稳压电源输出电压 接通220V的电源，用数字万用表对所设计的电路实物进行测试，得到结果如表(1)理论输出值+5V+12V-12V-5V实际输出值+4.98V+12.07V-11.90V-5.12V 2）、内阻的测量在输入交流为220V，分别测得负载电流为0及最大值时的VO，即用开短路法可测得电源内阻。测得数据如下：取100电阻为负载: V空= 5.11V ，V负=5.07V。取300电阻为负载: V空= 5.13 V，V负=5.01V。根据以上数据可得电源内阻为：R100=VI =（V空-V负）/(I空-I负)=0.79R300=VI =（V空-V负）/(I空-I负)=7.183）、稳压系数的测量 稳压系数是指在负载电流I0、环境温度T不变的情况下，输入电压的相对变化引起输出电压的相对变化，即稳压系数 Sr=（VO/VO）/（VI/VI） IO=常数，T=常数 Sr的测量电路如图5所示： 图5测试过程是：先调节自耦变压器Vi=244V，测量此时对应的输出电压VO1； 再调节自耦变压器Vi=198V，测量此时对应的输出电压VO则稳压系数； Sr=（VO/VO）/（Vi/Vi） 根据上述测量方法，可对正负双电源进行测试，测试数据如表（2）：Vi=198V+12.04-11.88-5.124.95V2=242V+12.04-11.88-5.124.95表（2）由以上所测数据，可得稳压系数为： Sr=05% 4） 、纹波电压的测量+V12=0.4，-V12,=0.5，,+V5 =0.4，-V5 =0.4，b、误差分析1） 、误差计算 表（1）+V12%=12.00-12.07/12.00=0.58%-V12%=12.00-11.98/12.00=0.16%+V5 %=5-4.98/5=0.4%-V5 %=5-5.12/5=2.4% 表（2）+V12%=12.00-12.04/12.00=0.33%-V12%=12.00-11.88/12.00=1%+V5 %=5-4.98/5=0.4%-V5 %=5-5.12/5=2.4%2） 、误差原因 a)元件本身存在误差； b)焊接时，焊接点存在微小电阻； c)万用表本身的准确度而造成的系统误差；d)测量方法造成的认为误差。3.3注意事项（一）在通电前认真检查安装电路，必须对电路进行以下事项的检查：（1）、电源变压器的绝缘电阻进行检测，以防止变压器漏电。一般用兆欧进行检测，也可以用万用表。 （2） 、电源变压器的一次和二次绕组不能搞错，否则将会造成变压器损电 源故障。（3）、三端稳压器的输入、输出和公共一定要识别清楚，不能搞错。特别是公共端不能开路，如果开路，很可能导致负载损坏。（4）、整流桥的引脚（或二极管的引脚）和滤波电容器的极性不能接反，否则将会损坏元器件。（5）、检查负载端不应该有短路现象。3.4设计总结（1）稳压系数 S：表示在负载电流与环境温度保持不变的情况下，由于输出电压 Ui 的变化二引起的输出电压的相对变化量与输入电压的相对变化量的比值，即：S越小，电源的稳压性能越好，S约为0.010.0001.（2）输出阻抗Ro：当输入电压和环境温度保持不变时，由于负载电流Io的变化而引起的输出电压的变化量与负载电流变化量的比值，即Ro=Uo/Io 可见，如果Ro越小，则说明输出电压的变化越小。（3）波纹系数r；输出电压中的交流分量占额定输出直流电压的百分比，即r=(U-)/Uo100%显然，r越小越好，通常稳定电源的纹波电压只有几毫伏，甚至小于1毫伏。(4)制作过程中的问题；元件库里缺元器件，有些所需要的元件需要自己画。刻版后发现错误或有些线没有，连线后需认真检查。焊盘或线太小，须精确实物尺寸。没焊好，可能导致接触不良。3.5心 得 体 会 课程设计的过程是艰辛的，但是收获却是很大的。这次课程设计我主要是应用以前学习的模拟电子技术和Multisim仿真软件知识，综合起来才完成了这个直流稳压电源设计，虽然直流稳压电源很简单，但是付出却是艰辛的。 电子设备对电源电路的要求就是能够提供持续稳定、满足负载要求的电能，而且通常情况下都要求提供稳定的直流电能。提供这种稳定的直流电能的电源就是直流稳压电源。直流稳压电源在电源技术中占有十分重要的地位。 通过本次设计,让我们更进一步的了解到直流稳压电源的工作原理以及它的要求和性能指标，也让我们认识到在此次设计电路中所存在的问题，在解决设计问题的同时自己也在其中有所收获。本设计主要利用电源变压器、整流二极管、滤波电容及集成稳压器固定式 来设计同时输出12V电压直流稳压电源。其结构简单，使用元器件较少；系统的可靠性好，其精度高，成本低，便于维修，且可作为一个独立的模块为其他电子设备提供电能。在设计的过程，遇到了不少的问题，但是我们没有后退，而是接受，并且通过翻阅资料来解决问题。我们在设计了电路以后中，发现电路板焊接后，不方便调试，于是加了两个插槽。调试时，有发现负电压的输出为零，通过用万用表检查发现原来焊接做的不好，有些焊点之间根本就没连接起来。起先为了焊接方便，我们没有将元件的管脚剪掉，而是互相搭接焊在一起，以至于造成了后来调试结果出不来，并且做的板子也不美观。我们便把起先那些没焊好的，都重新焊了一遍，用导线给焊接，在这过程，也注意一些美观的细节，终于是大功告成。最后在老师的指导下，一次性完成了最后的调试。 通过这次设计，了解了书本上没有的知识，更加巩固了所学的知识，也增强了自己灵活运用所学知识到实践中的能力。此外，也学到了许多的经验，做什么事都有思前想后，我们在焊接时，就因为没有深入思考，把六脚开关接成了开关起作用时的状态，好在检查时发现了。这次的课程设计，获益匪浅，虽然从了解原理到